For the past years, our laboratory has been interested in the development of a specific class of functionalised orthoester derivatives and their application as annelating reagents. Previous work had demonstrated that these reagents could be used in a two-step procedure to generate interesting spirocyclic ketones. At the onset of our thesis, we devoted our efforts to the study and application of this methodology. This resulted in an improved and more efficient procedure for the spirohexannelation of â-ketoketals. During these initial studies, an intriguing and novel transannular cyclisation was discovered. The reactivity of these spirocycles was also briefly examined, laying the ground for an application to the total synthesis of Agarospirol, Hinesol and á-Vetispirene, three natural products belonging to the Spirovetivane family. The applicability of a CAN-catalysed deprotection of ketals and silyl ethers, in the presence of an enol triflate moiety, was also investigated. The potential of our functionalised orthoesters as annelating agents was then further evaluated in the context of other silyl enolethers. The heteroaromatic derivatives of furan proved to be excellent coupling partners for our functionalised orthoesters, and enabled the efficient preparation of a wide array of butenolides. These butenolides could then be elaborated, by an efficient and highly stereoselective radical-mediated cyclisation, into bicyclic lactones. Alternatively, treatment with base triggered an efficient spirocyclisation, delivering spirocyclic butenolides in good to excellent yields. The corresponding pyrrole derivative was also examinated, and preliminary work hints at the possibility of readily preparing azaspirocycles as well as indolizidine frameworks. Finally, the evaluation of silylated acyloins allowed an entry into the chemistry of cyclobutanones, and a simple procedure for the synthesis of spirocyclic ethers was developed. During these investigations, an unexpected fragmentation was serendipitously discovered upon application of the Beckmann rearrangement. We were able to use this reaction in a new procedure for the synthesis of interestingly substituted tetrahydropyrans.

Synthetic methods of phosphinic acids and bicyclic aza-beta and gamma-lactams has been described.

In recent years, N-hetereocyclic carbenes (NHCs) have received considerable attention as organocatalysts due to their unusual ability to induce a reversal of reactivity (Umpolung) in aldehydes. Indeed, NHCs unique properties have been applied to the efficient and metal-free synthesis of organic compounds that have proven elusive using traditional approaches.<p> My Masters research program has been focused on the use of NHCs as organocatalysts in ring expansion reactions and their applications to cascade reactions.<p> During my Masters studies, an NHC-catalyzed efficient ring expansion of 4-, 5-, and 6-membered oxacycloalkane-2-carboxaldehydes to generate the corresponding lactone derivatives was developed. This reaction provides access to a variety of lactones using readily available NHCs under mild conditions.<p> Then, the ring-expansion lactonization has been successfully extended to an efficient lactamization using azacycloalkane-carboxaldehydes, which could provide functionalized lactams in moderate yields under mild conditions.<p> In addition, intrigued by the possibility of effecting the Umpolung of electron-poor dienes using NHC catalysts, the ring-expansion lactonization was applied to an attempted Diels-Alder-ring expansion cascade reaction. Though no cascade reactions were observed, some very interesting results were obtained, and those results will guide future investigations in this area.

In recent years, N-hetereocyclic carbenes (NHCs) have received considerable attention as organocatalysts due to their unusual ability to induce a reversal of reactivity (Umpolung) in aldehydes. Indeed, NHCs unique properties have been applied to the efficient and metal-free synthesis of organic compounds that have proven elusive using traditional approaches.<p> My Masters research program has been focused on the use of NHCs as organocatalysts in ring expansion reactions and their applications to cascade reactions.<p> During my Masters studies, an NHC-catalyzed efficient ring expansion of 4-, 5-, and 6-membered oxacycloalkane-2-carboxaldehydes to generate the corresponding lactone derivatives was developed. This reaction provides access to a variety of lactones using readily available NHCs under mild conditions.<p> Then, the ring-expansion lactonization has been successfully extended to an efficient lactamization using azacycloalkane-carboxaldehydes, which could provide functionalized lactams in moderate yields under mild conditions.<p> In addition, intrigued by the possibility of effecting the Umpolung of electron-poor dienes using NHC catalysts, the ring-expansion lactonization was applied to an attempted Diels-Alder-ring expansion cascade reaction. Though no cascade reactions were observed, some very interesting results were obtained, and those results will guide future investigations in this area.

Unable to copy abstract. / Thesis (M.Sc.)-University of KwaZulu-Natal, Westville, 2011.

Pseudomonas aeruginosa is a versatile Gram-negative opportunistic pathogen notorious for its ability to chronically colonize and deteriorate the pulmonary function of the cystic fibrosis lung. It exhibits high resistance to beta-lactam antibiotics, including cephalosporins and monobactams, via induction of their chromosomally encoded AmpC beta-lactamase. Regulation of ampC expression is coupled to the bacterial cell wall recycling pathway by the activity of NagZ, a glycosidase that produces 1,6-anhydroMurNAc-tri-(or penta-) peptides from internalized peptidoglycan metabolites. During beta-lactam therapy, this tripeptide rapidly concentrates in the bacterial cytosol to levels sufficient for it to bind and activate AmpR, the transcriptional activator of ampC. P. aeruginosa also encodes three ampD genes, each expressing an N-acetylmuramyl-L-amidase that cleaves the peptide stems from 1,6-anhydroMurNAc or GlcNAc 1,6-anhydroMurNAc. AmpD thus suppresses 1,6-anhydroMurNAc-peptide accumulation and moderates ampC induction. Selection of AmpD null mutants during therapy thus causes chronic hyperproduction of beta-lactamase, presumably from an increase in NagZ product, and have been identified in P. aeruginosa strains isolated from chronically infected CF patients. Mutants harboring an inactivated nagZ gene in a wild-type P. aeruginosa background were isolated and were found to have increased antibiotic susceptibility to antipseudomonal beta-lactams. Inactivating nagZ in a triple ampD mutant substantially decreased the expression of ampC and rendered these high-level resistant strains susceptible to antipseudomonal beta-lactams at wild-type strain levels. This brings the susceptibility of the P. aeruginosa strains down to the beta-lactam therapy range accepted by CLSI for use in cystic fibrosis patients suffering from chronic Pseudomonas aeruginosa infections. To assess whether P. aeruginosa expresses more than one N-acetyl-beta-glucosaminidase that could contribute to the production of the activating tripeptide, residual activity assays were conducted on nagZ deficient mutants. Mutants were devoid of activity so it was concluded that P. aeruginosa expresses only the one N-acetyl-beta-glucosaminidase in study, NagZ. Complementation studies using the wild type nagZ gene restored the wild type phenotypes, particularly evident in the triple ampD null mutants. These findings suggest that NagZ activity is required for ampC induction, and that an intricate balance exists between NagZ and AmpD activity to regulate the concentration of the inducer molecule 1,6-anhydroMurNAc-tripeptide.

Pseudomonas aeruginosa is a versatile Gram-negative opportunistic pathogen notorious for its ability to chronically colonize and deteriorate the pulmonary function of the cystic fibrosis lung. It exhibits high resistance to beta-lactam antibiotics, including cephalosporins and monobactams, via induction of their chromosomally encoded AmpC beta-lactamase. Regulation of ampC expression is coupled to the bacterial cell wall recycling pathway by the activity of NagZ, a glycosidase that produces 1,6-anhydroMurNAc-tri-(or penta-) peptides from internalized peptidoglycan metabolites. During beta-lactam therapy, this tripeptide rapidly concentrates in the bacterial cytosol to levels sufficient for it to bind and activate AmpR, the transcriptional activator of ampC. P. aeruginosa also encodes three ampD genes, each expressing an N-acetylmuramyl-L-amidase that cleaves the peptide stems from 1,6-anhydroMurNAc or GlcNAc 1,6-anhydroMurNAc. AmpD thus suppresses 1,6-anhydroMurNAc-peptide accumulation and moderates ampC induction. Selection of AmpD null mutants during therapy thus causes chronic hyperproduction of beta-lactamase, presumably from an increase in NagZ product, and have been identified in P. aeruginosa strains isolated from chronically infected CF patients. Mutants harboring an inactivated nagZ gene in a wild-type P. aeruginosa background were isolated and were found to have increased antibiotic susceptibility to antipseudomonal beta-lactams. Inactivating nagZ in a triple ampD mutant substantially decreased the expression of ampC and rendered these high-level resistant strains susceptible to antipseudomonal beta-lactams at wild-type strain levels. This brings the susceptibility of the P. aeruginosa strains down to the beta-lactam therapy range accepted by CLSI for use in cystic fibrosis patients suffering from chronic Pseudomonas aeruginosa infections. To assess whether P. aeruginosa expresses more than one N-acetyl-beta-glucosaminidase that could contribute to the production of the activating tripeptide, residual activity assays were conducted on nagZ deficient mutants. Mutants were devoid of activity so it was concluded that P. aeruginosa expresses only the one N-acetyl-beta-glucosaminidase in study, NagZ. Complementation studies using the wild type nagZ gene restored the wild type phenotypes, particularly evident in the triple ampD null mutants. These findings suggest that NagZ activity is required for ampC induction, and that an intricate balance exists between NagZ and AmpD activity to regulate the concentration of the inducer molecule 1,6-anhydroMurNAc-tripeptide.

Thesis (Ph.D.)--McMaster University (Canada), 1991. / Source: Dissertation Abstracts International, Volume: 54-02, Section: B, page: 0835.

Les b-lactamines, grâce à leur efficacité clinique, sont parmi les antibiotiques les plus prescrits pour traiter des infections bactériennes. Cependant, leur utilité est compromise par la prolifération des b-lactamases (BLs) avec des profils d’hydrolyse de substrats très larges. La résistance induite par les BLs compromet également les b-lactamines les plus puissantes (c-à-d les carbapénèmes). OXA-48, une carbapénèmase de classe D (CHDL), a été initialement identifiée dans une souche de K. pneumoniae de Turquie en 2001. OXA-48 hydrolysent fortement les pénicillines, faiblement les carbapénèmes, et quasiment pas les céphalosporines de troisième génération (C3G). Cependant certains variants comme OXA-163 ou OXA-405 hydrolysent les C3G et pas les carbapénèmes. La comparaison de la structure tri-dimensionnelle d’OXA-48 avec d’autres CHDLs a révélé de petites différences principalement localisées dans les boucles qui relient des éléments de structure. Notamment, la boucle localisée entre les feuillets b5 et b6 semble jouer un rôle majeur dans l’hydrolyse des carbapénèmes.Afin de mieux comprendre la contribution de la boucle b5-b6 dans l’hydrolyse des carbapénèmes, nous avons étudié, grâce à des outils biochimiques et structuraux, des variants naturels ou synthétiques d’OXA-48 présentant des modifications dans la boucle: le rôle du remplacement de chaque AA de la boucle par une alanine, des délétions croissantes ou de l’augmentation de la taille de la boucle. Nous avons également réalisé l’échange de boucle entre OXA-48 et OXA-18, une oxacillinase inhibée par l’acide clavulanique et hydrolysant fortement les C3G mais pas les carbapénèmes. La protéine recombinante OXA-48loop18 hydrolysait les C3G, et conservait une activité significative d’hydrolyse des carbapénèmes. L’échange de boucle a permis l’élargissement du site actif, permettant l’accès à des b-lactamines possédant un radical volumineux (e.g. ceftazidime). De plus, le remplacement de chaque AA de la boucle par une alanine a relevé de faibles changements hydrolytiques. En réalisant des délétions croissantes d’AA soit en partant de la gauche de la boucle (Tyr-211 vers Pro-217) ou de la droite (Pro-217 vers Tyr-211), nous avons montré que l’activité d’hydrolyse des carbapénèmes diminuait avec la taille des délétions, alors que celle des C3G augmentait. Les délétions de 4 AA présentent les plus fortes activités hydrolytiques des C3G et une perte totale de l’activité carbapénèmase, excepté pour le simple mutant, OXA-48∆P217, qui présentait un profile d’hydrolyse avec une forte activité carbapénèmase et C3G. La cristallographie et la modélisation moléculaire ont montré une grande flexibilité de la boucle, permettant l’entrée de b-lactamines de tailles variables. De plus, l’étude de nouveaux variants d’OXA-48 a permis d’identifier des déterminants structuraux importants dans le profil d’hydrolyse observé. Ainsi, la délétion I215-E216 associée à la substitution R214K dans la boucle b5-b6 de OXA-517 permet une forte hydrolyse des carbapénèmes et des C3G. De même, dans OXA-519, une substitution V120L située à proximité de la boucle b5-b6, a pour conséquence une diminution de l’affinité pour tous les substrats. La chaine latérale plus encombrante de la L120 empêche l’insertion des b-lactamines, diminuant l’affinité de l’enzyme. Finalement, nous avons caractérisé OXA-535, la b-lactamase naturelle et chromosomique de Shewanella bicestrii JAB-1 qui, n’ayant uniquement 91,5% d’identité en AA avec OXA-48, présente le même profil d’hydrolyse. OXA-535 présentait 98.9% d’identité en AA avec OXA-436, codé par un gène plasmidique, suggérant ainsi que S. bicestrii portant le gène blaOXA-535 pourrait être le progéniteur du gène plasmidique blaOXA-436.Nos travaux ont montré le formidable pouvoir d’adaptation de OXA-48 à évoluer par mutation afin d’accommoder différents substrats, et comment la nature et la longueur de la boucle b5-b6 pouvait influencer sur la spécificité de substrat. / Antimicrobial resistance is the most alarming emerging problem in infectious diseases. b-Lactams, due to their safety, reliable killing properties and clinical efficacy, are among the most frequently prescribed antibiotics used to treat bacterial infections. However, their utility is being threatened by the worldwide proliferation of b-lactamases (BLs). BL-mediated resistance does not spare even most powerful b-lactams, carbapenems, whose activity is challenged by carbapenemases. OXA-48, a carbapenem-hydrolyzing class D b-lactamase (CHDL) initially identified from a Klebsiella pneumoniae isolate from Turkey in 2001, has since spread globally with the isolation of more than 30 variants. Most OXA-48-like enzymes hydrolyze penicillins at high level, carbapenems at low level and lack significant expanded-spectrum cephalosporin (3GC) hydrolysis, others such as OXA-163 hydrolyze expanded-spectrum cephalosporins and poorly carbapenems. Comparison of OXA-48 tertiary structure with those of other CHDLs revealed small differences located mainly in the loops connecting secondary structure elements, which may vary in length and orientation. The loop located between the b5 and b6 strands (Tyr211 to Pro217) has been suggested to play a major role in carbapenem hydrolysis.To better understand the contribution of the b5-b6 loop in the carbapenem hydrolysis of OXA-48-like carbapenemases, we investigated, using biochemistry and structural biology, natural OXA-48 variants with changes in different loops, replaced each AA of the loop b5-b6 by alanines, performed increasing deletions or increased the size of this loop by replacing it with that of OXA-18, a clavulanic acid inhibited class D b-lactamase that presents activity against expanded-spectrum cephalosporins and none against carbapenems. The resulting OXA-48loop18 was able to hydrolyze expanded-spectrum cephalosporins and conserved partial carbapenem hydrolysis. Structural analysis demonstrated that the loop swap produced an opening of the active site, being now accessible to b-lactams with bulky sidechains e.g. ceftazidime. Additionally, by performing alanine replacements in the b5-b6 loop we could show reduced hydrolysis of carbapenems, mostly reflected by changes in kcat. By increasing deletions in the b5-b6 loop, starting from Tyr211 to Pro217 and from the Pro217 to Tyr211, the activity against carbapenems decreased with the size of the deletion whereas the activity against ceftazidime increased. 4 AA deletions revealed the highest 3GC activity, except for one single AA mutant, OXA-48∆P217, with high level carbapenem and ceftazidime hydrolysis. Crystallography along with molecular modelling showed an increased flexibility of this loop allowing different sized b-lactams to enter the active site. Moreover, the characterization of three novel natural OXA-48 variants revealed structural features important in the observed hydrolysis profile. Thus, the I215-E216 deletion and R214K substitution in the b5-b6 loop of OXA-517 induced the hydrolysis of carbapenems and C3G at high level. In OXA-519, the V120L substitution is located at the bottom of the binding site, in the close vicinity of the active Ser70 and the b5-b6 loop, and therefore overall higher Km values were observed compared to OXA-48. The bulkier side chain of L120 in OXA-519 hampers the approach of b-lactam substrate, resulting in a decrease of the substrate affinity. Finally, we have characterized the chromosomally-encoded OXA-535 that is more distantly related to OXA-48 (91.5% AA identity), despite similar hydrolysis profiles. Interestingly, OXA-535 presented 98.9% of AA identity with the plasmid-mediated OXA-436 suggesting that the blaOXA-535 gene might be the progenitor of the plasmid-encoded blaOXA-436 gene.Taken together, our work illustrates the propensity of OXA-48 to evolve through mutations to accommodate different substrates in its active site and how the b5–b6 loop determines the specificity of the enzyme.

Introduction :La prévalence de l’obésité, parmi les patients hospitalisés, est en augmentation. Les patients obèses présentent un risque accru de développer des infections nosocomiales par rapport aux individus non-obèses. Parmi les antibiotiques, la classe des β-lactames est la plus utilisée à l’hôpital tant en prophylaxie chirurgicale que pour le traitement des infections. Les recommandations de doses en vigueur sont basées sur des études pharmacocinétiques (PK) effectuées chez des patients non-obèses. Cependant, les patients obèses présentent des altérations physiologiques qui pourraient théoriquement être à l’origine de modifications des paramètres PK de ces antibiotiques. L’utilisation de doses standards d’antibiotiques pourrait avoir comme conséquence des concentrations sériques inadéquates chez ces patients; elles peuvent, dès lors, conduire à des échecs thérapeutiques et/ou favoriser l’émergence de souches résistantes. Objectifs: Ce travail de thèse a pour but d’approfondir les connaissances sur la PK des β-lactames chez les patients obèses présentant des scores de sévérité clinique différents. Patients et Méthodes: Quatre études PK ont été réalisées chez les patients obèses :1) une étude prospective de patients obèses, et non-obèses, ayant reçu de la céfazoline (CFZ) en prophylaxie de chirurgie digestive, 2) une étude préliminaire, prospective incluant uniquement des patients obèses traités pour des infections non sévères par l’un des 4 β-lactames à large spectre (pipéracilline-tazobactam (TZP), ceftazidime/céfépime (CEF), et méropénem (MEM)), 3) une étude prospective, avec groupe contrôle de patients non-obèses, étudiant la PK du TZP donné en traitement d’infections non sévères et 4) une étude rétrospective cas-témoin évaluant la PK de 4 β-lactames à large spectre (TZP, CEF, ou MEM) donnés pour le traitement d’infections sévères aux soins intensifs. Les taux sériques de ces antibiotiques ont été mesurés par chromatographie liquide et corrélés à plusieurs paramètres démographiques, biologiques et hémodynamiques. Résultats: Etude sur CFZ :Soixante-trois patients ont participé à l’étude: parmi ceux-ci, 43 avaient un index de masse corporelle (IMC) ≥ 35 kg/m2, et 22 un poids total ≥ 120 kg. Sur l’ensemble des patients, les concentrations sériques de CFZ étaient adéquates chez 100% des patients à 180 minutes (T180) et chez 64% (40/63) à 240 minutes (T240) après le début de l’infusion de CFZ. Il n’y avait pas de différence significative entre le pourcentage des patients avec des taux sériques adéquats à T240, quel que soit le paramètre utilisé pour la comparaison (IMC ≥ 35 kg/m2 versus IMC < 35 kg/m2, ou poids total ≥ 120 kg versus poids total < 120 kg). Etude préliminaire sur TZP, CEF et MEM: Cinquante-six patients obèses ont été inclus dans l’étude ;14 ont reçu du MEM, 31 du TZP et 11 du CEF. Parmi ces patients, les concentrations sériques adéquates pour traiter une infection à P. aeruginosa ont été atteintes chez 93% des patients traités par MEM, 68% des patients traités par TZP, et 73% des patients traités par CEF. Le volume de distribution (VD) et la clearance totale (CL) des β-lactames étaient augmentés par rapport à des valeurs rapportées dans la littérature chez les patients non-obèses. En effet, plus de 25% des patients présentaient une clearance en créatinine (CrCl) mesurée supérieure à 150 ml/minute, ce facteur étant identifié comme facteur de risque de concentrations sériques insuffisantes. Etude sur TZP: Trente-deux patients (14 non-obèses et 18 obèses) ont été inclus dans l’étude et ont reçu les doses standards de TZP. Une augmentation du VD (25.4 ± 5.6L vs. 21.0 ± 3.9 L, p= 0.018) et de la CL (18.1 ± 4.7 vs. 13.5 ± 40.1, p= 0.007) a été observé chez les patients obèses par rapport aux non-obèses conduisant à des concentrations statistiquement inférieures de TZP libre par rapport aux patients non-obèses. De même, malgré des valeurs de créatinine sérique semblables (0.8 ± 0.3 versus 0.9 ± 0.3 mg/dl, p=0.26), la CrCl mesurée sur des urines de 24h, était significativement plus élévée chez les obèses par rapport aux non-obèses (128 ± 58 vs. 79 ± 26 ml/min, p=0.006). Etude rétrospective cas-témoin sur TZP, CEF, et MEM aux soins intensifs: Quarante-neuf patients obèses et 59 patients non-obèses ont été inclus. Soixante-huit monitoring thérapeutiques ont été effectués chez les patients obèses et comparés à 68 monitoring thérapeutiques effectués chez les patients non-obèses. Après administration des doses standards des β-lactames, 1/3 des patients obèses avait des concentrations sériques insuffisantes pour traiter des infections à P. aeruginosa, et 1/4 de ces patients avait des concentrations sériques excessives, potentiellement toxiques. Par contre, aucune différence statistiquement significative n’a été observée entre les concentrations sériques des β-lactames des patients obèses et non-obèses. Conclusions :Lors de la prophylaxie chirurgicale, l’administration des doses standards de CFZ a montré des concentrations sériques insuffisantes pour assurer une couverture prophylactique adéquate en cas d’intervention chirugicale d’une durée supérieure à 180 minutes. Ni le poids total, ni l’IMC n’a pu identifier les patients qui nécessiteront une dose plus élevée de CFZ. De même, les doses standards des β-lactames à large spectre se sont avérées insuffisantes dans le traitement des infections non sévères et sévères dues à P. aeruginosa chez les patients obèses. En cas d’infections peu sévères, les concentrations sériques, chez ces patients, étaient significativement moindres que chez les patients non-obèses ;ceci étant lié à une augmentation du VD et de la CL des β-lactames. Un facteur de risque majeur retrouvé était une CrCl augmentée chez les patients obèses. Chez les patients avec infections sévères, la PK des β-lactames n’était par contre pas significativement différente entre les patients obèses et non-obèses. Ceci probablement à cause des perturbations déjà importantes de la PK des β-lactames liées à la séverité du sepsis. En conclusion, ces études identifient des perturbations de la PK des β-lactames chez les patients obèses. Parmi celles-ci, l’augmentation de la clearance rénale est un élement déterminant dans l’inadéquation des concentrations sériques. La situation est plus complexe chez les patients obèses aux soins intensifs où d’autres facteurs peuvent encore s’associer et perturber la PK des β-lactames. / Doctorat en Sciences médicales (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished